Techniklexikon

Streuexperiment

Teilchenphysik, physikalisches Experiment, bei dem ein kollimierter, monoenergetischer Teilchenstrahl auf ein Target (engl.: Ziel) oder einen anderen Teilchenstrahl trifft. Die Teilchendichten im Strahl sowie im Target sind so gering, dass die Teilchen im Strahl nicht miteinander wechselwirken und keine Mehrfachstreuung an verschiedenen Targetteilchen stattfindet

Der Vorteil eines Streuexperimentes liegt darin, dass man isolierte Prozesse bei einer festgelegten Energie untersuchen kann, im Gegensatz zur Bestimmung von Reaktionsraten innerhalb eines Gases, bei der über die Geschwindigkeiten der Stosspartner gemittelt werden muss.

Als Streuexperimente der ersten Generation bezeichnet man Experimente, die zur Bestimmung totaler Wirkungsquerschnitte (als Funktion der Stossenergie) durchgeführt werden. In Experimenten späterer Generationen wird für weitere Parameter der differentielle Wirkungsquerschnitt bestimmt, beispielsweise in Abhängigkeit vom Streuwinkel. Bei einem »vollständigen Streuexperiment« wird der quantenmechanische Zustand des Stosssystems vor- und nach der Reaktion bestimmt. Dies erlaubt den detailliertesten Vergleich mit theoretischen Modellen, da es keine unbestimmten Grössen gibt, über die gemittelt werden müsste.

Folgende Konfigurationen werden bei Streuexperimenten unterschieden:

1) stationäres Target: Hier trifft ein Projektilstrahl auf ein quasi-unbewegtes Target (gasförmig oder fest). Die Teilchen innerhalb des gasförmigen Targets bewegen sich viel langsamer als die Projektilteilchen. Mit einem solchen Target lassen sich hohe Targetdichten erzeugen. Prominentes Beispiel für ein solches Experiment ist der Rutherfordsche Streuversuch, bei dem E. Rutherford eine Goldfolie mit Alphateilchen beschoss und damit eine experimentelle Grundlage für die Bohrsche Theorie des Atoms schuf.

2) bewegtes Target: Hier lässt man zwei Teilchenstrahlen zumeist frontal kollidieren; diese Konfiguration wird oft in der Elementarteilchenphysik eingesetzt. So wurde z.B. 1995 das Top-Quark durch Kollision eines Protons mit einem Antiproton erzeugt, die Energie beider Stosspartner betrug 1 TeV.

Zum Nachweis der Streuprodukte werden folgende Methoden eingesetzt:

1) Bei der Flugzeitspektroskopie wird die Energie verschiedener Reaktionsprodukte ermittelt, indem man die Flugzeit eines jeden detektierten Teilchens relativ zu einem gemeinsamen Startsignal registriert. Bei gleicher Wegstrecke erreichen die energiereicheren Teilchen zuerst den Detektor. Hierfür verwendet man i.a. einen gepulsten Projektilstrahl, der Pulsgeber kann als Startsignal dienen.

2) Die Koinzidenzspektroskopie wird zur Identifikation einer bestimmten Reaktion A + B ® A\' + B\' verwendet, wobei ausgenutzt wird, dass zwei (oder mehrere) Teilchen, die als Produkte der Reaktion entstehen, eine feste Zeitkorrelation haben. Dieselben Teilchen aus Hintergrundsreaktionen besitzen keine Zeitkorrelation. Ähnlich wie bei der Flugzeitspektroskopie benötigt man ein Startsignal, das durch den Nachweis eines der Reaktionsprodukte gegeben wird. Die Zeit, die bis zum Nachweis des zweiten Teilchens vergeht, wird in einem Histogramm aufgetragen. Da die gesuchte Reaktion zu immer gleichen Zeitabständen führt, findet man nach gegebener Messzeit an dieser Stelle eine Anhäufung von Ereignissen, den Koinzidenzpeak. Diese Nachweismethode wird angewandt, wenn ein hoher Untergrund vorliegt, in dem das Signal fast verschwindet. Die Verbesserung des Signal/Rausch-Verhältnisses erfordert allerdings oftmals lange Messzeiten.

3) Spurenkammern werden fast ausschliesslich in der Elementarteilchenphysik angewandt. In den Anfängen der Teilchenphysik benutzte man Nebel- oder Blasenkammern, in denen elementare Teilchen Spuren hinterliessen, die dann auf einer photographischen Platte festgehalten wurden. Neuere Teilchendetektoren bestehen aus einer Vielzahl von verschiedenen Detektortypen, die wie Zwiebelschalen um das Reaktionsvolumen angeordnet sind (Detektor).